块体椰壳活性炭的制备及其在低温冷凝板中的应用研究

聚变能是一种清洁高效的能源,在"碳达峰,碳中和"的大背景下,核聚变已成为一个重要的研究方向.中国在磁约束聚变方面的研究位于世界前列,且开展了 中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的设计研究工作.CFETR是一个大型真空设备,而低温泵输系统是CFETR的重要组成部分之一.低温泵输系统的主要功能是在等离子体运行过程排出由氢同位素,氦灰和各种杂质气体组成的等离子体废气,从而维持等离子体放电所需的动态真空度.低温泵内设有用超临界氦冷却到4.5K温度的低温板,对于沸点高于液氦的气体,低温板可以使泵抽气体凝结,从而实现抽气目的,然而CFETR所需泵抽气体中含有氦气,氦气无法在氦冷的低温板上冷凝,因此需要在低温板上加上吸附材料,通过将气体吸附在吸附材料的多孔结构中,进而实现氦气的泵抽.椰壳活性炭因其优异的吸附性能和大存储容量已成为低温泵所需吸附材料的首选材料,已有研究者选择使用环氧树脂等有机粘结剂为成型剂通过涂覆工艺制备低温板表面吸附层,但托卡马克聚变堆排出气体中含有大量的氚,氚会在泵输系统运行过程中对吸附层中的有机聚合物产生一定的辐照损伤.无机粘结剂相比于有机粘结剂具有优异的抗辐照稳定性,但其韧性较差,在低温环境下容易导致吸附层脱落.本文选择无机粘结剂作为主要活性炭成型粘结剂,通过在无机粘结剂中添加少量柔性聚氨酯的方法制备椰壳活性炭吸附层,在保证活性炭吸附层的抗氚辐照性能的同时,改善了活性炭吸附层的抗热震性能.论文主要包含四个方面的内容:1)块体椰壳活性炭的制备技术研究;2)活性炭吸附层与冷凝板金属基材界面性能研究;3)低温板上活性炭吸附层导热性能研究;4)活性炭吸附层低温吸附性能研究.第一部分主要内容为:以无机粘结剂作为主要成型剂,通过在无机粘结剂中添加少量柔性聚氨酯的方法制备块体椰壳活性炭.将成型剂中添加了柔性聚氨酯的样品与不添加柔性聚氨酯的样品进行了物理性能的对比,研究了成型剂含量与活性炭吸附层比表面积和抗压强度之间的关系.第二部分主要内容为:研究了成型剂含量对活性炭吸附层粘接强度的影响,并对粘附有活性炭吸附层的低温板进行了热震循环实验,探索出相对合适的聚氨酯在成型剂中的质量占比,同时证明了在成型剂中添加聚氨酯后活性炭吸附层抗热震性能的优越性.第三部分主要内容为:结合实验与数值模拟的方法对低温板上活性炭吸附层的导热性能进行研究,重点参数为活性炭吸附层的热扩散系数,比热容和导热系数,分析了活性炭吸附层的导热性能与温度,成型剂含量之间的关系.补足了新型活性炭吸附层的基础导热性能数据,并将数值模拟结果与实验结果相对比,从而建立了合理的活性炭吸附层热导率的数值模拟分析方法.第四部分主要内容为:对吸附过程中的理论抽速进行了计算,并在此基础上研究了活性炭吸附层在低温条件下对氢气与氦气的吸附性质,并对两者吸附结果进行对比分析.

块体椰壳活性炭的制备及其在低温冷凝板中的应用研究

聚变能是一种清洁高效的能源,在"碳达峰,碳中和"的大背景下,核聚变已成为一个重要的研究方向.中国在磁约束聚变方面的研究位于世界前列,且开展了 中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的设计研究工作.CFETR是一个大型真空设备,而低温泵输系统是CFETR的重要组成部分之一.低温泵输系统的主要功能是在等离子体运行过程排出由氢同位素,氦灰和各种杂质气体组成的等离子体废气,从而维持等离子体放电所需的动态真空度.低温泵内设有用超临界氦冷却到4.5K温度的低温板,对于沸点高于液氦的气体,低温板可以使泵抽气体凝结,从而实现抽气目的,然而CFETR所需泵抽气体中含有氦气,氦气无法在氦冷的低温板上冷凝,因此需要在低温板上加上吸附材料,通过将气体吸附在吸附材料的多孔结构中,进而实现氦气的泵抽.椰壳活性炭因其优异的吸附性能和大存储容量已成为低温泵所需吸附材料的首选材料,已有研究者选择使用环氧树脂等有机粘结剂为成型剂通过涂覆工艺制备低温板表面吸附层,但托卡马克聚变堆排出气体中含有大量的氚,氚会在泵输系统运行过程中对吸附层中的有机聚合物产生一定的辐照损伤.无机粘结剂相比于有机粘结剂具有优异的抗辐照稳定性,但其韧性较差,在低温环境下容易导致吸附层脱落.本文选择无机粘结剂作为主要活性炭成型粘结剂,通过在无机粘结剂中添加少量柔性聚氨酯的方法制备椰壳活性炭吸附层,在保证活性炭吸附层的抗氚辐照性能的同时,改善了活性炭吸附层的抗热震性能.论文主要包含四个方面的内容:1)块体椰壳活性炭的制备技术研究;2)活性炭吸附层与冷凝板金属基材界面性能研究;3)低温板上活性炭吸附层导热性能研究;4)活性炭吸附层低温吸附性能研究.第一部分主要内容为:以无机粘结剂作为主要成型剂,通过在无机粘结剂中添加少量柔性聚氨酯的方法制备块体椰壳活性炭.将成型剂中添加了柔性聚氨酯的样品与不添加柔性聚氨酯的样品进行了物理性能的对比,研究了成型剂含量与活性炭吸附层比表面积和抗压强度之间的关系.第二部分主要内容为:研究了成型剂含量对活性炭吸附层粘接强度的影响,并对粘附有活性炭吸附层的低温板进行了热震循环实验,探索出相对合适的聚氨酯在成型剂中的质量占比,同时证明了在成型剂中添加聚氨酯后活性炭吸附层抗热震性能的优越性.第三部分主要内容为:结合实验与数值模拟的方法对低温板上活性炭吸附层的导热性能进行研究,重点参数为活性炭吸附层的热扩散系数,比热容和导热系数,分析了活性炭吸附层的导热性能与温度,成型剂含量之间的关系.补足了新型活性炭吸附层的基础导热性能数据,并将数值模拟结果与实验结果相对比,从而建立了合理的活性炭吸附层热导率的数值模拟分析方法.第四部分主要内容为:对吸附过程中的理论抽速进行了计算,并在此基础上研究了活性炭吸附层在低温条件下对氢气与氦气的吸附性质,并对两者吸附结果进行对比分析.